压力容器焊接冷裂纹产生的机理和防止措施

谢小强(陕西化建工程有限责任公司，陕西 咸阳 712100)

0 引言

焊接在金属压力容器制造过程中是一道主要的工序，随着压力容器的大型化和重型化，焊接在压力容器制造过程中处于关键和重要的工序[1]。大多数压力容器属于特种设备，其安全运行关系人民的生命及财产安全，因此避免压力容器在制造过程中产生焊接缺陷，是保证压力容器制造质量在运行后安全工作的关键步骤。

对压力容器的失效事故研究表明，多数事故的发生是因为在压力容器的焊缝及其热影响区部位出现了产生了裂纹。常见的压力容器焊接裂纹包括热裂纹、冷裂纹及其他裂纹，其中冷裂纹要比热裂纹及其他裂纹的危害大得多，因为热裂纹在焊接过程中出现或者焊后的检测中，一般可以发现并且经过返修得以消除，而绝大部分冷裂纹的发生具有明显的延迟性，在焊接时或者焊后不能及时通过检测方法检查出来，经过时效或者运行一段时间才突然出现，尤其是在使用及运行过程中出现，极易造成质量安全事故，损坏设备、危害生命、污染环境、造成重大经济损失。在制造环节，如何避免焊缝产生冷裂纹是提高压力容器制造质量，保证压力容器安全运行的关键过程。 本次论文主要阐述冷裂纹的产生机理和防止措施。

1 焊接冷裂纹的分类及产生的基本过程

焊接冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度时所产生的裂纹，常见钢材产生的温度为在Ms温度以下或200～300 ℃[2]。冷裂纹包括:延迟裂纹、淬硬裂纹、低塑性脆化裂纹等，在压力容器制造行业所说的冷裂纹指的是延迟裂纹。

压力容器焊接冷裂纹主要发生在高硬度及高强度的钢材中，如抗拉强度大于等于540 MPa以上的材料或者中碳钢、低合金和中合金的高强度钢中。这些材料在焊接过程中金属熔池溶解了大气或者焊接材料中的氢，加上焊接接头在焊接过程中产生了材料加热时产生的拘束应力，焊缝本身组织淬硬，无法通过塑性变形等方式释放应力，在三种因素的作用下，发生开裂，形成裂纹。延迟裂纹具有显著的延迟性，分为潜伏期、缓慢扩散期、突然断裂期三个连续的过程，潜伏期有可能几小时、几天、几个月甚至几年，有可能压力容器已投入使用期间，因此更具危险性。

2 焊接冷裂纹的产生原理及其影响因素

大量的理论研究和生产实践经验证明，产生焊接冷裂纹的三大主要因素主要为焊缝中的扩散氢、焊接接头的淬硬组织及焊接接头的应力，通常我们称为冷裂纹三要素[3]。这三个因素或单独或相互作用共同对焊接接头冷裂纹产生影响。

2.1 扩散氢

引起压力容器焊接冷裂纹的一个重要因素是焊接接头中的扩散氢。扩散氢在焊缝中并且有延迟性的特点，与温度本身关系不大，我们把由扩散氢引起的冷裂纹也称为“氢致裂纹”或“氢诱发裂纹”。理论及试验研究表明，具有淬硬倾向的高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，越容易出现冷裂纹。在焊接时，熔池的高温状态下，液态金属所吸收溶解了大量氢，随着熔池冶金反应，部分氢在熔池金属的凝固过程中逸出，但由于焊接接头熔池具有存在的短时性特征，熔池冷却速度较快，在3～10 s 内液态金属凝固，部分氢来不及逸出，留在了固态焊缝金属中。在金属焊缝中，氢是以H、H+、H-的形式存在于金属组织中，在晶格的边缘形成间隙固溶体，氢原子和离子的半径很小，在特定条件下，H、H+、H-可以在焊缝中扩散移动，这部分氢为我们称为扩散氢[4]。

理论研究表明，焊接接头中的扩散氢会从氢的含量较高的焊缝金属，向氢的含量较低的焊接接头熔合线区及热影响区扩散，特别是在焊缝接头熔合线及热影响区中的粗晶区部位，扩散氢含量相对于焊接接头其它部位要高出很多，如在应力集中的结构部位和存在焊缝缺陷部位，逐渐形成氢的富集合区。随着时间的推移，氢原子逐渐析出，残存在固态金属中的氢原子，形成氢分子，聚集到一定数量时，形成微观上的空穴，这个过程持续时间有时会很长。由于微观上的空穴并不是圆滑的表面，存在尖角，微观上可视为裂纹的起点，当在金属材料受到内部及外部应力时，金属材料的淬硬组织无法通过塑性变形来释放应力，特别是就会从空穴处的尖锐及薄弱处开裂释放应力，形成冷裂纹[5]。常见焊接过程的氢主要来源是空气中的水分、焊材中的水分、母材中铁锈、以及焊缝坡口中的污染物和杂物[6]。焊接时，电弧高温将这些物质分解，其中的水也被分解形成H、H+、H-，最终溶入焊缝金属。

2.2 淬硬组织

压力容器用的钢材一般为低合金钢，这些钢材一般有比较大的淬硬倾向，其焊接的显著特点之一就是焊接接头出现淬硬组织，材料的淬硬倾向越大越容易产生冷裂纹。研究表明钢材的淬硬倾向越大，越容易形成淬硬组织，淬硬组织的硬度高，相对应的塑性及韧性降低。一方面，由于淬硬组织塑韧性低，断裂时消耗的能量也低，因此也容易开裂；另一方面，钢种的淬硬倾向越大，组织中形成的组织晶格缺陷，如晶格畸变、错位等也就越多，这种缺陷越多，越容易形成裂纹。金属在液态向固态转变过程中，常见的淬硬组织为马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，由于溶入过多的碳而使α-Fe晶格严重畸变，减小了塑性变形的能力，这种固溶体具有高硬度，马氏体中过饱和的碳越多，其硬度就越高[7]。马氏体转变同样是在一定温度范围内(Ms-Mz)连续进行的，当温度达到Ms点以下，立即有部分奥氏体转变为马氏体。板条状马氏体有很高的强度和硬度，较好的韧性，能承受一定程度的冷加工；针状马氏体又硬又脆，无塑性变形能力。马氏体转变速度极快，转变时体积产生膨胀，在钢材内部形成很大的内应力，所以淬火后的钢材需要及时回火，防止应力开裂。具有淬硬倾向的钢种淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体的可能性越大，产生冷裂纹的概率也越高。

2.3 应力

焊接接头的热循环决定了焊缝组织应力的不均匀性，焊接过程本身就是一个局部加热、局部冷却的过程，在工件的整体所占的部位很小，热循环过程及金属组织的变化造成了较大的焊接内应力。除了焊接内应力外，焊接接头还承受来至于焊接结构自身几何因素所决定的内应力和工况下所承受的外加载荷应力。焊接接头在受外载时，焊缝的某一点在主平面上作用有最大正应力σmax，与此点的主平面成45°的平面上作用有最大切应力τmax，当τmax达到屈服点前，如果σmax先达到抗拉强度极限，就会产生脆性断裂，如τmax先达到屈服点，就会产生塑性变形或者延迟断裂，表现到压力容器上，就会出现直接开裂或者先变形在开裂。

3 冷裂纹的常见预防措施

从影响焊接冷裂纹的因素出发，有效防止焊接冷裂纹的方法，也需从扩散氢、淬硬组织、应力三个方面采取措施[8]。

3.1 母材和焊接材料的选择

(1)优化材料设计。设计压力容器时，在符合安全性能、工艺性、经济性的前提下，选用含碳量低、淬硬倾向小的材料。如在对制造压力容器用钢板入场验收时，应严格审核质量证明书中碳及合金元素的含量，必要时进行复验；(2)使用低氢型焊材。应选用含氢量较低的焊接材料或者可以通过冶金作用去除氢的焊接材料，例如使用低氢型或超低氢型焊条或者焊剂。经验收合格的焊材存放避免潮湿，应使用专用库房，在使用前严格按照工艺进行烘干，使用时按照规范进行取用和保管；(3)提高焊接接头塑韧性。对于淬硬敏感性较高的材料，焊接时可采用降低焊缝金属的强度和硬度来提高焊缝的塑韧性，通过允许的变形来降低焊接接头的刚性。

3.2 工艺措施

(1)焊接环境。焊缝坡口表面及周围应清理水分、铁锈、油污等杂物，焊接工位环境相对湿度不应大于90%，雨雪天、风速超过规定都应采取防护措施；(2)预热。缓冷和减少焊接热输入量是有效地防止冷裂纹的措施，如采用预热和小的线能量；(3)后热。焊后立即将工件的全部或局部进行加热或保温、并控制冷却，可以逸出焊接接头中的大部分氢；(4)热处理。采取消应力热处理，去除部分焊接内应力及残余应力，减少附加应力。正火可以细化组织晶粒，有效的改善焊接接头力学性能；(5)优化焊接顺序。合理安排焊接顺序，如圆形大接管可采用对称焊、分段焊。以球罐为例，当采用合理的顺序焊接时，如采用对称焊、同焊接规范，球罐变形时对称的收缩或膨胀，可有效地减小焊接残余应力；(6)适当的焊接工艺参数。在不预热的情况下，适当提高焊接电流，降低焊接速度，可减慢热影响区冷却速度，防止形成淬硬组织；(7)减少焊接缺陷。焊接接头中的条渣、咬边、未焊透、弧坑等，截面的不连续造成应力集中，诱发裂纹的出现；(8)其他方法。采用人工时效，如震动时效、超声时效等，在允许的情况下，还可对焊缝进行锤击等。

3.3 结构设计

(1)采用焊接应力较小的焊接接头。如压力容器接管，可采用嵌入式补强接管；(2)减少焊缝过于集中。合理布置焊缝，避开焊缝过渡集中，减少焊缝数量，可有效减少焊接应力；(3)焊缝圆滑过渡。对结构不连续的部位，可以将焊缝修磨成圆滑过渡形状，以减少应力的集中。

4 结语

裂纹对压力容器的危害极大，冷裂纹由于具有一定的潜伏期和延迟性，焊后数小时乃至更长时间才能出现，特别是在运行中，一旦出现往往是造成质量安全事故，威胁到人民生命财产安全。为了控制此类裂纹的出现，焊前必须认真分析压力容器的焊接过程，制定合理的焊接工艺和控制措施，从而保证压力容器制造质量，提高压力容器的使用安全和寿命。